高效率光伏并网逆变装置研究

【摘要】：化石能源在发电过程中,会产生大量有害气体,对环境造成极大的污染,也损害了人类的健康。因此,低碳、绿色和可再生能源成为了未来能源发展的最佳选择。太阳能资源有着取之不尽、用之不竭的特点,在我国有着广泛的分布,具有良好的发展前景。光伏并网发电利用太阳能电池板将太阳能转换为电能,光伏并网逆变装置将电能转换为与电网频率、相位相同的交流电,输送至公共电网。论文以无隔离变压器三相光伏并网逆变装置为研究对象,对其器件选型、开关拓扑结构、MPPT、SVPWM控制方法和孤岛检测等方面进行了研究。光伏并网逆变发电装置中,开关器件采用了碳化硅(Si C)的肖特基二极管(SBD)和场效应管(MOSFET)。与硅器件相比,Si C型器件在性能方面有着不可比拟的优势,如Si C SBD极小的零反向恢复时间和反向漏电流,Si C MOSFET工作环境温度从50℃到150℃时,通态电阻变化范围较小,因而具有良好的高温特性。除此之外,Si C MOSFET的开通时间和关断时间比硅MOSFET和IGBT缩短了许多,有效的减少了开关损耗,提高了逆变装置的效率。光伏并网逆变装置的输入太阳能组件采用组串式结构,降低了电池板由于遮光引起的热斑效应,延长了太阳能电池板的使用寿命。直流侧MPPT电路采用了并联Boost拓扑结构,逆变侧三相桥电路采用SVPWM方法进行控制,以提高了直流电压利用率,且获得近似正弦的电流波形。输出侧滤波采用了LCL滤波器,缩小了滤波器的体积,减少了注入公共电网的谐波分量。软件锁相(SPLL)技术是光伏并网逆变装置接入公用电网的必备环节,只有保证实时跟踪公用电网的频率和相位,才能将光伏电能输送至公用电网。针对三相电网的平衡和不平衡运行情况,分析了两种基于单同步坐标系的软件锁相环(SSRF-SPLL)和基于双同步坐标系的解耦软件锁相环(DDSRF-SPLL)锁相方法。并网逆变装置工作于孤岛运行状态时,会对人身安全和电力设备形成很大威胁。因此,孤岛效应的检测与防止也就成为了光伏并网逆变装置的必备保护功能。文中分析了常见的被动式和主动式孤岛检测方法,仿真验证了频率偏移法孤岛检测方法的可行性。在理论研究和仿真分析的基础上,完成了光伏并网逆变装置样机的设计。在低压实验平台上进行了实验,效率测试表明,Boost电路变换效率达到了93%。 【关键词】：光伏发电 最大功率跟踪 逆变 并网 锁相 孤岛检测
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM464
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 课题背景及意义8-9
• 1.2 国内外光伏产业现状及发展趋势9-12
• 1.2.1 国外光伏并网发电产业及研究现状9-11
• 1.2.2 国内光伏并网发电产业及研究现状11-12
• 1.3 光伏并网及发展趋势12-15
• 1.3.1 光伏并网系统概述12-14
• 1.3.2 光伏并网逆变器发展趋势14-15
• 1.4 半导体器件概述15-17
• 1.4.1 功率MOSFET15
• 1.4.2 绝缘栅双极晶体管IGBT15-16
• 1.4.3 基于宽禁带材料 (SiC和GaN)的功率半导体器件16-17
• 1.5 本课题主要研究工作17-19
• 第二章 光伏并网逆变装置及建模19-38
• 2.1 高效率三相光伏并网逆变装置概述19-20
• 2.2 BOOST变换器20-26
• 2.2.1 单级式Boost变换器20-23
• 2.2.2 并联式Boost变换器23-25
• 2.2.3 Boost变换器损耗分析25-26
• 2.3 三相逆变装置模型及控制26-30
• 2.4 三相并网逆变装置的LCL滤波器设计30-37
• 2.4.1 LCL滤波器参数限制32-33
• 2.4.2 LCL桥臂侧电感L的计算33-34
• 2.4.3 LCL电网侧滤波器LC的计算34-35
• 2.4.4 LCL参数的校正35-37
• 本章小结37-38
• 第三章MPPT控制技术38-48
• 3.1 光伏电池概述38-40
• 3.1.1 光伏电池基本原理及等效电路38-39
• 3.1.2 太阳能电池的数学模型39-40
• 3.2 经典MPPT技术40-44
• 3.2.1 定电压跟踪法40-41
• 3.2.2 扰动观察法41-43
• 3.2.3 电导增量法43-44
• 3.3 模糊控制MPPT技术44-46
• 3.4 仿真结果46-47
• 本章小结47-48
• 第四章 SVPWM原理及实现48-56
• 4.1 SVPWM基本原理48-53
• 4.1.1 矢量变换的基本原理48-49
• 4.1.2 状态空间的划分49-51
• 4.1.3 矢量位置的确定51-53
• 4.2 SVPWM的实现53-55
• 本章小结55-56
• 第五章 锁相及孤岛检测技术56-70
• 5.1 锁相环技术原理56-57
• 5.2 基于单同步坐标系的软件锁相环(SRF-SPLL)57-60
• 5.3 双同步坐标系的软件锁相环(DDSRF-SPLL)60-63
• 5.4 孤岛效应及其检测63-68
• 5.4.1 电压/频率检测法65-66
• 5.4.2 频率偏移法66-68
• 本章小结68-70
• 第六章 硬件电路和软件设计70-84
• 6.1 主电路设计70-72
• 6.2 控制电路设计72-77
• 6.3 软件设计77-80
• 6.4 实验结果分析80-83
• 本章小结83-84
• 第七章 总结与展望84-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-90
• 附录90-91
• 攻读硕士期间参与项目和发表的论文91-92

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